JP4004215B2 - Laser processing method and laser processed product - Google Patents
Laser processing method and laser processed product Download PDFInfo
- Publication number
- JP4004215B2 JP4004215B2 JP2000255506A JP2000255506A JP4004215B2 JP 4004215 B2 JP4004215 B2 JP 4004215B2 JP 2000255506 A JP2000255506 A JP 2000255506A JP 2000255506 A JP2000255506 A JP 2000255506A JP 4004215 B2 JP4004215 B2 JP 4004215B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- processing
- shape
- laser beam
- processing method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、さらに詳しくは、レーザビームを照射することによって被加工物に肉盛、溶接あるいは焼入れなどの加工を行う方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジンの給・排気系のバルブシートをレーザビームにより肉盛加工する場合は、図14に示すように、被加工物としてのシリンダヘッドのバルブシート部1に予め形成された環状溝1aにノズル(図示略)から肉盛材料の粉末2を連続供給しながら、該シリンダヘッドを回転させ、この連続供給される粉末2に対して、放物面ミラー3により集光したレーザビームLをオシレートミラー4により半径方向へ所定の振幅および周波数でオシレートさせながら照射させ、ビード(クラッドビード)Bを前記環状溝(加工部位)1aに沿って連続に形成するようにしている。なお、この時、図示を略するガスノズルからレーザビームLの照射域にシールドガスを供給する。
【0003】
また、例えば、レーザビームにより突合せ溶接する場合は、図15に示すように、被加工物としての2枚の板材5,6を突合せて、その突合せ部7に沿ってトーチ8を移動させ、トーチ8から出射されたレーザビームLを、該トーチ7の運動により突合せ部7に直交する方向へ所定の振幅および周波数でオシレートさせながら突合せ部7に照射させ、ビード(溶接ビード)Bを突合せ部(加工部位)7に沿って連続に形成するようにしている。なお、同図中、9はトーチ8にレーザビームを伝送するための伝送ファイバである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来のレーザ加工は、上記した肉盛加工(図14)、溶接加工(図15)を問わず、被加工物の加工部位1a、7に沿う加工長手方向へレーザビームLを走査(スキャン)させるのが基本であり、このため、加工部位1a、7の長さすなわち加工長が長い場合は、その走査に長時間を要し、生産性の低下が避けられない、という問題があった。
【0005】
また、上記したバルブシートの加工のように加工部位1aが閉ループ形状となっている場合は、加工始端と加工終端とが重なるため、同一条件で加工を進めたのでは、加工層の重なり部分に、例えば肉盛においてはクラックや欠肉、あるいは過熱による成分希釈などの欠陥が、溶接においてはクレータなどの欠陥が、焼入れにおいては焼戻しがそれぞれ生じるようになる。そこで、従来は、加工の重なり範囲で出力を徐減するなどの対策を採っていたが、その制御に複雑さを要し、その上、焼入れにおいてはこの対策によっても焼戻しの発生を完全に解消することができない、という問題があった。
【0006】
なお、例えば、特開2000−94167号公報には、加工開始時から加工終了時に至るまでの間、肉盛材料を供給するノズルの中心線とレーザビームの照射中心線とが交わる加工点を連続して上昇させることにより、加工層の重なり部分(オーバーラップ部)におけるクラックや欠肉の発生を防止することが記載されているが、この場合でも複雑な制御が必要であることに変わりはない。
また、例えば、特開昭57−140817号公報には、円板状被加工物の板面を表面焼入れする際、該板面に対してレーザビームをらせん状(うず巻状)に走査させて、加工始端と加工終端との重なりそのものをなくすることが記載されているが、この場合は、半径方向での加工(加工層)の重なりが避けられず、根本的な解決には至らない。
【0007】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、被加工物に対するレーザビームの照射形状と走査方向とを抜本的に変更することにより、加工時間の大幅な短縮を図り、併せて加工の重なりをなくして加工品質の安定向上を図ることができるレーザ加工方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、加工部位で集束されるようにレーザビームを被加工物に照射することにより、被加工物に対する加工長手方向にレーザビームの照射形状を線状、かつ、閉ループ形状の加工部位に合せて、閉ループ形状に整形し、該線状かつ閉ループ形状に整形したレーザビームを、その線状を維持しながら縮径方向または拡径方向のいずれかの加工短手方向へ走査させて、加工部位を加工することを特徴とする。
このように行うレーザ加工方法においては、加工長手方向に整形したレーザビームを加工短手方向へ走査し、加工短手方向へ順次加工が進行するので、その走査に要する時間は大幅に短縮される。
【0009】
また、閉ループ形状に整形したレーザビームを縮径方向または拡径方向のいずれかの加工短手方向へ走査させるので、加工始端と加工終端との重なりがなくなる。
【0010】
請求項2に係る発明は、上記請求項1に係る発明において、光学系を操作して、レーザビームを高速で回転させて、レーザビームの照射形状を擬似的に閉ループ形状に整形することを特徴とする。
このように行うレーザ加工方法においては、レーザビームの照射形状を、光学系の操作のみで任意の大きさとすることができる。
【0011】
請求項3に係る発明は、上記請求項1に係る発明において、所定形状に配列したレーザダイオードアレイを用いて、レーザビームの照射形状を整形することを特徴とする。
このように行うレーザ加工方法においては、照射部位に応じてレーザビームを出力調整することができるので、凹凸を有する加工部位の加工も可能になる。
【0012】
請求項4に係る発明は、上記請求項1乃至3の何れか1項に記載の発明において、加工部位に対する加工が、肉盛り、溶接、焼入れから選択された1つであることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、上記請求項1乃至4の何れか1項に記載のレーザ加工方法により加工したレーザ加工品であって、加工層の重なり部分がないことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【0014】
図1乃至図4は、本発明の第1の実施の形態を示したものである。本第1の実施の形態は、バルブシートをレーザビームにより肉盛加工しようとするもので、被加工物としてのシリンダヘッドのバルブシート部1には、前記図14に示したと同様に加工部位としての環状溝1aが形成されている。本第1の実施の形態においては、複数のレーザダイオードアレイ10を内蔵する平面扇形状のスタックブロック11を、円筒形状をなすように複数(ここでは、4個)集合させてなるレーザ発振器12を用意し、このレーザ発振器12を前記バルブシート部1に対向させて配置している。各スタックブロック11は、レーザ発振器12の半径方向へ相互に進退動できるようになっており、これらスタックブロック11の半径方向への進退動に応じてレーザ発振器12は、全体としてその径を拡縮させるようになる。
【0015】
レーザダイオードアレイ10は、図3および図4に示すように、矩形板状をなし、その一面に複数のレーザ出射口13を備えている。レーザダイオードアレイ10はまた、前記レーザ出射口13を備えた側の一面にマイクロレンズ14を備えており、レーザ出射口13から出射されたレーザビームは、このマイクロレンズ14を通して平行ビーム15として前方へ出射されるようになっている。なお、各レーザ出射口13は、一例として、その長さsが100μm程度、その幅tが1μm程度となっている。また、前記平行ビーム15の幅Tは、一例として1mm程度となっている。
【0016】
本第1の実施の形態において、各レーザダイオードアレイ10は、レーザ発振器12の軸中心に放射状に配列するように各スタックブロック11に内蔵されており(図2)、これによりレーザ発振器12からは、所定幅のレーザビームがわずかの間隙を有して円筒形に配列する近似円筒形ビーム16(図1)が出射されるようになる。しかして、レーザ発振器12を構成する各スタック11は、前記したようにレーザ発振器12の半径方向へ相互に進退動できるようになっており、このスタックブロック11の半径方向への進退動に応じて前記近似円筒形ビーム16は、その直径を任意変化させるようになる。、
【0017】
上記バルブシートを肉盛加工するには、図1に示すように、事前にバルブシート部1の環状溝1aの全周に肉盛材料の粉末4を供給し、始めにレーザ発振器12を構成する各スタックブロック11を半径外方向へ移動させて、前記近似円筒形ビーム16を拡径し、加工長手方向に沿う環状溝1aの外周縁に近似的に円形をなす近似円形ビーム17として高出力で照射させる。次に、図1に矢印Fにて示すように、各スタックブロック11を相互に半径内方向へ所定の速度で移動させる。すると、バルブシート部1に照射される近似円形ビーム17は、その直径を次第に縮小させ、これに応じて環状溝1a上の粉末4が円環状に溶融しながらバルブシート部1に順次溶着し、クラッドビードB(図14参照)が形成される。
【0018】
この場合、近似円形ビーム17は、加工部位としての環状溝1aの幅方向すなわち加工短手方向へ走査されることとなり、したがって、従来のように加工長手方向へレーザビームを走査させる場合(図14参照)に比し、その走査に要する時間は著しく短かくなり、バルブシートの肉盛加工は短時間で終了する。また、従来のように被加工物としてのシリンダを回転させる必要がないので、全体の設備は簡単となり、その分、設備の投資費用も低減する。しかも、加工短手方向へ加工が進むので、加工部位(環状溝)1aが閉ループ形状であるにもかかわらず、加工始端と加工終端とが重なることがなく、クラックや欠肉などの欠陥が発生することもなくなって加工品質は良好となる。
なお、近似円形ビーム17は、上記したように拡径状態から縮径方向(矢印F方向)へ走査させることに代えて、縮径状態から拡径方向へ走査させてもよいことはもちろんである。
【0019】
図5は、本発明の第2の実施の形態を示したものである。本第2の実施の形態は、上記第1の実施の形態と同じくバルブシートをレーザビームにより肉盛加工しようとするものであるが、ここでは、上記レーザダイオードアレイ10を内蔵するスタックブロック11を用いることなく、光学系のみで擬似的に円形ビームを形成する。すなわち、本第2の実施の形態においては、レーザ発振器から出射されたレーザビーム20を放物面ミラー21により集光し、さらに回転ミラー22とオシレートミラー23とを経てバルブシート部1にスポット的に照射させるようにしている。回転ミラー22は、レーザビーム20のスポット(以下、これをレーザスポットという)Pをバルブシート部1の環状溝1aに沿う加工長手方向へ高速で回転させる機能を有するもので、このレーザスポットPの高速回転によりバルブシート部1上には、擬似的に円形ビーム(擬似円形ビーム)24が形成される。一方、オシレートミラー23は、前記レーザスポットPを環状溝1aの幅方向すなわち加工短手方向へオシレートさせる機能を有するもので、前記回転ミラー22により擬似円形ビーム24を形成しながらこのオシレートミラー23を作動させることで、擬似円形ビーム24はその直径を拡縮させる。
【0020】
本第2の実施の形態によりバルブシートを肉盛加工するには、第1の実施の形態におけると同様に、事前にバルブシート部1の環状溝1aの全周に肉盛材料の粉末4を供給し、始めにオシレートミラー23を適宜位置決めして、回転ミラー22によりレーザスポットPを高速で回転させ、加工長手方向に沿う環状溝1aの外周縁に擬似円形ビーム24を高出力で形成し、続いてオシレートミラー23を作動させる。すると、擬似円形ビーム24が、第1の実施の形態における近似円形ビーム17と同様にその直径を次第に縮小させ、これに応じて環状溝1a上の粉末4が円環状に溶融しながらバルブシート部1に順次溶着し、クラッドビードB(図13参照)が形成される。本第2の実施の形態の効果は、上記した第1の実施の形態の効果と同じであるが、光学系の操作のみで円形ビーム(擬似円形ビーム)24の大きさや走査距離を簡単に変更することができるので、汎用性が向上する。
なお、擬似円形ビーム24は、上記したように拡径状態から縮径方向へ走査させることに代えて、縮径状態から拡径方向へ走査させてもよいことはもちろんである。
【0021】
図6および図7は、本発明の第3の実施の形態を示したものである。本第3の実施の形態は、前記図15に示した2枚の板材5,6をレーザビームにより突合せ溶接しようとするもので、ここでは、前記第1の実施の形態で用いたものと同様のレーザダイオードアレイ10を内蔵する直方体状のスタックブロック25を備えたレーザ発振器26を用意する。このレーザ発振器26は、その長手方向が2枚の板材5,6の突合せ部7に沿うように板材5,6の上方に配置され、かつ該突合せ部7に直交する方向(矢印A方向)へ平行移動できるようになっている。レーザダイオードアレイ10は、ここでは、図7に示すようにその長手方向をスタックブロック25の長手方向に一致させて一列に配設されている。また、このレーザダイオードアレイ10は、レーザビーム27を集光させて板材5,6上に線状に照射できるようにそのマイクロレンズ14(図3,4)の焦点位置を設定している。
【0022】
本第3の実施の形態により突合せ溶接を行うには、先ず、形成しようとする溶接ビードBの片側の計画線S上に線状ビーム28が形成されるようにレーザ発振器26を位置決めし、レーザ発振器26からレーザビーム27を高出力で出射させる。そして、このレーザビーム27の出射と同時にレーザ発振器26を前記矢印A方向へ所定の速度で移動させ、線状ビーム28を突合せ部7に直交する方向へ走査させる。すると、2枚の板材5,6の突合せ部7が溶融し、これにより所定幅で所定深さを有する溶接ビードBが形成され、これにて突合せ溶接は終了する。
この場合、線状ビーム28は、加工部位としての突合せ部7に直交する方向すなわち加工短手方向へ走査されることとなり、したがって、従来のように突合せ部7に沿う方向すなわち加工長手方向へレーザビームを走査させる場合(図15参照)に比し、その走査に要する時間は著しく短かくなり、溶接は短時間で終了する。
なお、このような加工様式は、線状に肉盛加工する場合にも利用することができる。
【0023】
図8は、本発明の第4の実施の形態を示したものである。本第4の実施の形態は、円板状の被加工物30の表面に焼入れしようとするもので、ここでは、前記第1の実施の形態で用いたものと同じレーザダイオードアレイ10を内蔵する円筒状のスタックブロック31を備えたレーザ発振器32を用意すると共に、このレーザ発振器32から出射される近似円筒形ビーム16(図1に示したものと同じ)を集光して被加工物30の表面に照射させる集光レンズ(凸レンズ)33を用意する。集光レンズ33により集光することで被加工物30の表面には円形ビーム34が形成され、この円形ビーム34は、集光レンズ33とレーザ発振器32との相対位置に応じてその直径を任意変化させるようになる。
【0024】
本第4の実施の形態により表面焼入れを行うには、先ず、円板状被加工物30の外周に円形ビーム34が整合するように集光レンズ33とレーザ発振器32との相対位置を設定し、レーザ発振器32から近似円筒形ビーム16を高出力で出射させる。そして、この近似円筒形ビーム16の出射と同時に、例えば集光レンズ33をレーザ発振器26に接近する方向(矢印Z方向)へ所定の速度で移動させる。すると、被加工物30の表面に照射される円形ビーム34は、次第にその直径を縮め、遂には被加工物30の中心にスポット的にレーザビームが照射されるようになり、これにより被加工物30の表面全面の焼入れは終了する。
【0025】
この場合、円形ビーム34は、被加工物30の半径方向すなわち加工短手方向へ走査されることとなり、したがって、らせん状にレーザビームを走査させる場合(特開昭57−140817号公報参照)に比し、その走査に要する時間は著しく短かくなり、被加工物30の表面焼入れは短時間で終了する。また、被加工物30は全く移動させる必要がないので、全体の設備は簡単となり、その分、設備の投資費用も低減する。しかも、半径方向へ順次焼入れが進行するので、半径方向で加工が重なることがなく、加工の重なりに起因する焼戻しが発生することもない。さらに、円形ビーム34は、集光レンズ33によりレーザビームが円周方向に密に連続する状態となるので、円周方向での加熱温度は均一となり、焼入れムラが生じることもない。
【0026】
なお、この第4の実施の形態において、スタックブロック31の形状を、だ円形、四角形などとすることにより、種々の形状の被加工物を表面焼入れすることができる。
また、このような加工様式は、上記第1および第2の実施の形態のような肉盛加工にもそのまま利用することができ、この場合は、図1に示したように分割構成のスタックブロック11を移動させ、あるいは図5に示したように光学系によりレーザスポットPを高速回転させる面倒さもないので、加工コストは著しく低減する。
【0027】
図9および図10は、本発明の第5の実施の形態を示したものである。本第5の実施の形態は、歯車35の歯部を表面焼入れしようとするもので、ここでは、前記第1の実施の形態で用いたものと同じレーザダイオードアレイ10を内周側に配列したリング状のスタックブロック36を備えたレーザ発振器37を用意する。レーザダイオードアレイ10は、ここでは歯車35の歯先面35a、歯底面35bおよび歯面35cを個別に照射できるように配列され、しかも、歯先面35a、歯底面35bおよび歯面35cに対応するもの同士がグループ分けされて、グループ毎に出力調整されるようになっている。
【0028】
この第5の実施の形態により歯車35の歯部を表面焼入れするには、歯車35とレーザ発振器37とを同心に位置決めした後、レーザ発振器37からレーザビーム38を高出力で出射させながら、例えばレーザ発振器37を矢印X方向へ所定の速度で移動させる。すると、歯車35の外周にその歯形状に倣う異形ビーム39(図9)が形成され、この異形ビーム39が歯車35の軸方向へ走査される。この時、歯先面35a、歯底面35bおよび歯面35cに対応してレーザビーム38の出力が調整されているので、歯車35は円周方向で一様に加熱され、これにより歯車35の歯部は一様に表面焼入れされる。
【0029】
【実施例】
実施例1
アルミニウム合金の基板上に肉盛材料としてのCu−Ni−Fe−Si−B系合金の粉末を、内径23mm、外径33mmとなるように円環状に盛り、前記第1の実施の形態(図1)の加工様式により下記の条件で肉盛加工を行った。
使用レーザ:半導体レーザ(波長0.94μm)
レーザ出力:10KW
近似円形ビーム17の線幅:1mm
近似円形ビーム17の走査速度:0.1m/min
この場合、近似円形ビーム17の走査時間(加工時間)は、その走査距離(加工長)が5mm(=[33−23]/2)であるところから、0.05分ときわめて短時間となっているが、図11に示すように、アルミニウム合金の基板40上に、幅Wが約5mmで、高さHが約2mmのクラッドビード41が表面滑らかにかつ気泡や空孔等の内部欠陥なく形成された。また、基板40の溶込みもほとんどなく、母材(基板材料)の成分希釈によるクラッドビード41の成分変化もほとんど無視できることが確認できた。
【0030】
実施例2
実施例1と同じくアルミニウム合金の基板上にCu−Ni−Fe−Si−B系合金の粉末を、内径23mm、外径33mmとなるように円環状に盛り、前記第2の実施の形態の加工様式(図5)により下記の条件で肉盛加工を行った。
使用レーザ:CO2レーザ(波長10.6μm)
レーザ出力:10KW
レーザスポット点Pの回転速度:1kHz(周速100m/sec)
擬似円形ビーム24の線幅:1mm
近似円形ビーム17の走査速度:0.1m/min
この場合も、擬似円形ビーム24の走査時間(加工時間)は、0.05分ときわめて短時間となっているが、上記実施例1と同様の形状および品質に優れたクラッドビード41が形成された。
【0031】
実施例3
JIS SPFC440からなる2枚の板材を突合せて、前記第3の実施の形態の加工様式(図6)により下記の条件で突合せ溶接を行った。
使用レーザ:半導体レーザ(波長0.94μm)
レーザ出力:6KW
線状ビーム28の線幅:1mm
線状ビーム28の走査速度:0.1m/min
線状ビーム28の走査距離:5mm
この結果、図12に示すように、2枚の板材42,43の突合せ部に幅Wが約5mmで、深さDが約3mmの溶接ビード44が表面滑らかにかつ気泡や空孔等の内部欠陥なく形成された。
【0032】
実施例4
歯車径25mm、歯幅10mmの歯車を対象に、前記第5の実施の形態の加工様式(図9)により内径30mmのレーザ発振器37を用いて下記の条件で焼入れを行った。
使用レーザ:半導体レーザ(波長0.94μm)
レーザ出力:2.5KW
異形ビーム39の線幅:1mm
異形ビーム39の走査速度:0.1m/min
この結果、図13に示すように、歯車45の歯部には、深さDが約2mmの焼入層46が均一に形成された。
【0033】
比較例
実施例1と同じくアルミニウム合金の基板上にCu−Ni−Fe−Si−B系合金の粉末を、内径23mm、外径33mmとなるように円環状に盛り、前記図14に示した従来の加工様式により下記の条件で肉盛加工を行った。
使用レーザ:CO2レーザ(波長10.6μm)
レーザ出力:4KW
レーザビームLの集光径:2mm
レーザビームLのオシレート幅:5mm
レーザビームLのオシレート周波数:200Hz
レーザビームの周方向の走査速度:1m/min
この結果、上記実施例1と同様のクラッドビード41が形成されたが、加工始端と加工終端との重なり部に基板40の溶込みが認められ、母材による成分希釈の虞れがあった。また、この比較例では、加工長が約100mmであるところから、加工時間は約0.1分となっており、本発明の実施例1に比べて2倍となっている。
【0034】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項1に係る発明によれば、加工長手方向に整形したレーザビームを加工短手方向へ走査させるので、加工時間の大幅な短縮が可能になって生産性の向上に大きく寄与するものとなる。しかも、閉ループ形状に整形したレーザビームを縮径方向または拡径方向のいずれかの加工短手方向へ走査させるので、加工の重なりもなくなり、所望の加工品質を安定して確保でき、特に再加熱による焼戻しも解消し得て、焼入れ加工への安定した適用が可能になり、その利用価値は著しく高まる。
【0035】
また、請求項2に係る発明によれば、上記請求項1に係る発明の効果に加え、レーザビームの照射形状を、光学系の操作のみで任意の大きさとすることができるので、汎用性が向上する。
【0036】
また、請求項3に係る発明によれば、照射部位に応じてレーザブームを出力調整することができるので、凹凸を有する加工部位の加工も可能になり、適用範囲が拡大する。
【0037】
また、請求項4に係る発明によれば、上記請求項1乃至3の何れか1項に係る発明において、肉盛り、溶接、焼入れから選択された加工の1つを最適の状態で行うことができる。
さらに、請求項5に係る発明によれば、上記請求項1乃至4の何れか1項に係るレーザ加工方法により加工したレーザ加工品であって、加工層の重なり部分がないので、品質要求の厳しい分野でも安定的に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ加工方法の第1の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図2】第1の実施の形態で用いる、レーザダイオードアレイを含むスタックブロックの構造を示す平面図である。
【図3】レーザダイオードアレイの構造を示す斜視図である。
【図4】レーザダイオードアレイの構造を示す側面図である。
【図5】本発明に係るレーザ加工方法の第2の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図6】本発明に係るレーザ加工方法の第3の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図7】第3の実施の形態で用いる、レーザダイオードアレイを含むスタックブロックの構造を示す平面図である。
【図8】本発明に係るレーザ加工方法の第4の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図9】本発明に係るレーザ加工方法の第5の実施の形態を模式的に示す斜視図である。
【図10】第5の実施例の形態におけるレーザ照射状態を示す模式図である。
【図11】本発明の1つの実施例で得られたスタックビームの状態を示す模式図である。
【図12】本発明の他の実施例で得られた溶接ビームの状態を示す模式図である。
【図13】本発明の、さらに他の実施例で得られた歯車の焼入状態を示す模式図である。
【図14】従来のレーザ肉盛加工の実施形態を模式的に示す斜視図である。
【図15】従来のレーザ突合せ溶接加工の実施形態を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
1 バルブシート部
4 肉盛材料の粉末
5、6 板材
10 レーザダイオードアレイ
11、25、31、36 スタックブロック
12、26、32、37 レーザ発振器
16 近似円筒形ビーム
17 近似円形ビーム
21 放物面ミラー
22 回転ミラー
23 オシレートミラー
24 擬似円形ビーム
28 線状ビーム
30 被加工物
33 集光レンズ
34 円形ビーム
35 歯車
39 異形ビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method, and more particularly to a method for performing processing such as overlaying, welding, or quenching on a workpiece by irradiating a laser beam.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, when an engine supply / exhaust valve seat is overlaid with a laser beam, as shown in FIG. 14, an annular groove formed in advance in a
[0003]
Further, for example, in the case of butt welding with a laser beam, as shown in FIG. 15, two
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
That is, the conventional laser processing is performed in the processing longitudinal direction along the
[0005]
In addition, when the
[0006]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-94167 discloses a processing point where a center line of a nozzle for supplying a build-up material and an irradiation center line of a laser beam intersect from the start of processing to the end of processing. In this case, it is described that the generation of cracks and thinning in the overlapped portion (overlap portion) of the processed layer is prevented, but even in this case, complicated control is still necessary. .
Further, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-140817, when a plate surface of a disk-shaped workpiece is surface-quenched, a laser beam is scanned on the plate surface in a spiral shape (spiral shape). In this case, it is described that the overlap between the machining start end and the machining end itself is eliminated, but in this case, the machining (working layer) overlap in the radial direction is unavoidable, and the fundamental solution is not achieved.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to drastically change the processing time by radically changing the irradiation shape of the laser beam on the workpiece and the scanning direction. Another object of the present invention is to provide a laser processing method capable of shortening and eliminating a process overlap and improving the processing quality stably.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1By irradiating the workpiece with a laser beam so as to be focused at the processing site,The laser beam irradiation shape is linear in the processing longitudinal direction of the workpiece, and the laser beam shaped into the closed loop shape is shaped into a closed loop shape according to the processing site of the closed loop shape,While maintaining its linear shapeThe processing portion is processed by scanning in the processing short direction of either the diameter reducing direction or the diameter expanding direction.
In the laser processing method performed in this way, the laser beam shaped in the processing longitudinal direction is scanned in the processing short direction and the processing proceeds in the processing short direction, so that the time required for the scanning is greatly reduced. .
[0009]
In addition, since the laser beam shaped into a closed loop shape is scanned in either the reduced diameter direction or the expanded diameter direction, the processing start edgeThere is no overlap between the machining end.
[0010]
Claim 2The invention according to the aboveClaim 1According to the invention, the optical system is operated to rotate the laser beam at a high speed so as to artificially shape the irradiation shape of the laser beam into a closed loop shape.
In the laser processing method performed in this way, the irradiation shape of the laser beam can be set to an arbitrary size only by operating the optical system.
[0011]
Claim 3The invention according to the aboveClaim 1The invention is characterized in that the irradiation shape of the laser beam is shaped using a laser diode array arranged in a predetermined shape.
In the laser processing method performed in this way, a laser is selected according to the irradiation sitebeamTherefore, it is possible to process a processed part having irregularities.
[0012]
Claim 4The invention according to the
Claim 5The invention according to the
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0014]
1 to 4 show a first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the valve seat is intended to be overlaid by a laser beam, and the
[0015]
As shown in FIGS. 3 and 4, the
[0016]
In the first embodiment, each laser diodearray10 are built in each
[0017]
In order to build up the valve seat, as shown in FIG. 1, the
[0018]
In this case, the approximate
Of course, the approximate
[0019]
FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the valve seat is to be built up with a laser beam in the same manner as in the first embodiment.arrayA pseudo circular beam is formed only by the optical system without using the
[0020]
In order to build up the valve seat according to the second embodiment, as in the first embodiment, the
Needless to say, the
[0021]
6 and 7 show a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the two
[0022]
In order to perform butt welding according to the third embodiment, first, the
In this case, the
In addition, such a processing mode can be utilized also when overlaying a line.
[0023]
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment is intended to quench the surface of the disk-shaped
[0024]
In order to perform surface hardening according to the fourth embodiment, first, the relative positions of the
[0025]
In this case, the
[0026]
In the fourth embodiment, by forming the
Further, such a processing mode can be used as it is for the overlay processing as in the first and second embodiments. In this case, as shown in FIG. Since there is no need to move 11 or rotate the laser spot P at high speed by the optical system as shown in FIG. 5, the processing cost is significantly reduced.
[0027]
9 and 10 show a fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, the teeth of the
[0028]
In order to quench the teeth of the
[0029]
【Example】
Example 1
A Cu—Ni—Fe—Si—B based alloy powder as a build-up material is deposited on an aluminum alloy substrate in an annular shape so as to have an inner diameter of 23 mm and an outer diameter of 33 mm, and the first embodiment (FIG. Overlay processing was performed under the following conditions according to the processing mode of 1).
Laser used: Semiconductor laser (wavelength 0.94 μm)
Laser output: 10KW
Line width of approximate circular beam 17: 1 mm
Scanning speed of approximate circular beam 17: 0.1 m / min
In this case, the scanning time (processing time) of the approximate
[0030]
Example 2
In the same manner as in Example 1, Cu—Ni—Fe—Si—B alloy powder is placed on an aluminum alloy substrate in an annular shape so as to have an inner diameter of 23 mm and an outer diameter of 33 mm, and the processing of the second embodiment is performed. Overlay processing was performed under the following conditions according to the mode (FIG. 5).
Laser used: CO2Laser (wavelength 10.6μm)
Laser output: 10KW
Rotational speed of laser spot point P: 1 kHz (circumferential speed 100 m / sec)
Line width of pseudo circular beam 24: 1 mm
Scanning speed of approximate circular beam 17: 0.1 m / min
Also in this case, the scanning time (processing time) of the pseudo
[0031]
Example 3
Two plates made of JIS SPFC440 are butted together and processed under the following conditions according to the processing mode of the third embodiment (FIG. 6).Butt weldingWent.
Laser used: Semiconductor laser (wavelength 0.94 μm)
Laser power: 6KW
Line width of the linear beam 28: 1 mm
Scanning speed of the linear beam 28: 0.1 m / min
Scanning distance of the linear beam 28: 5 mm
As a result, as shown in FIG. 12, a
[0032]
Example 4
For gears with a gear diameter of 25 mm and a tooth width of 10 mm, a
Laser used: Semiconductor laser (wavelength 0.94 μm)
Laser output: 2.5KW
Line width of deformed beam 39: 1 mm
Scanning speed of deformed beam 39: 0.1 m / min
As a result, as shown in FIG. 13, a
[0033]
Comparative example
As in Example 1, Cu—Ni—Fe—Si—B based alloy powder was placed on an aluminum alloy substrate in an annular shape so as to have an inner diameter of 23 mm and an outer diameter of 33 mm, and the conventional processing shown in FIG. Overlay processing was performed under the following conditions depending on the style.
Laser used: CO2Laser (wavelength 10.6μm)
Laser power: 4KW
Condensing diameter of laser beam L: 2 mm
Oscillation width of laser beam L: 5 mm
The oscillation frequency of the laser beam L: 200 Hz
Laser beam scanning speed in the circumferential direction: 1 m / min
As a result, the same clad
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention according to
[0035]
Claim 2According to the invention, in addition to the effect of the invention according to the first aspect, the laser beam irradiation shape can be set to an arbitrary size only by operating the optical system, so that versatility is improved.
[0036]
Also,Claim 3According to the invention, since the output of the laser boom can be adjusted according to the irradiation site, it is possible to process the processing site having unevenness, and the application range is expanded.
[0037]
Also,Claim 4According to the invention related
further,Claim 5According to the invention related
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a first embodiment of a laser processing method according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a structure of a stack block including a laser diode array used in the first embodiment.
FIG. 3 is a perspective view showing a structure of a laser diode array.
FIG. 4 is a side view showing the structure of a laser diode array.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a second embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a third embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing a structure of a stack block including a laser diode array used in the third embodiment.
FIG. 8 is a perspective view schematically showing a fourth embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a fifth embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a laser irradiation state in the fifth embodiment.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a state of a stacked beam obtained in one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing a state of a welding beam obtained in another example of the present invention.
FIG. 13 is a schematic view showing a hardened state of a gear obtained in still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view schematically showing an embodiment of conventional laser overlay processing.
FIG. 15 is a perspective view schematically showing an embodiment of a conventional laser butt welding process.
[Explanation of symbols]
1 Valve seat
4 Powder of overlaying material
5, 6 Plate material
10 Laser diode array
11, 25, 31, 36 Stack block
12, 26, 32, 37 Laser oscillator
16 Approximate cylindrical beam
17 Approximate circular beam
21 Parabolic mirror
22 Rotating mirror
23 Oscillating mirror
24 pseudo circular beam
28 Linear beam
30 Workpiece
33 condenser lens
34 Circular beam
35 gears
39 Profile beam
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000255506A JP4004215B2 (en) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | Laser processing method and laser processed product |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000255506A JP4004215B2 (en) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | Laser processing method and laser processed product |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002066779A JP2002066779A (en) | 2002-03-05 |
JP4004215B2 true JP4004215B2 (en) | 2007-11-07 |
Family
ID=18744280
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000255506A Expired - Fee Related JP4004215B2 (en) | 2000-08-25 | 2000-08-25 | Laser processing method and laser processed product |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4004215B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10290217B4 (en) | 2001-02-19 | 2009-06-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi | Laser processing device and thus feasible processing method |
ATE405976T1 (en) * | 2004-07-19 | 2008-09-15 | Trumpf Laser Gmbh & Co Kg | DIODE LASER ARRANGEMENT AND BEAM SHAPING UNIT THEREFOR |
JP5412887B2 (en) * | 2009-03-06 | 2014-02-12 | 日産自動車株式会社 | Laser cladding valve sheet forming method and laser cladding valve sheet forming apparatus |
JP2018049714A (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | ウシオ電機株式会社 | Laser driving light-source device |
-
2000
- 2000-08-25 JP JP2000255506A patent/JP4004215B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002066779A (en) | 2002-03-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4150907B2 (en) | Laser processing apparatus and processing method thereof | |
EP0669863B1 (en) | Process and apparatus for welding and other heat treatments | |
KR20120104325A (en) | A welding process and a welding arrangement | |
JP2007229773A (en) | Laser beam welding method and laser beam welding device | |
US11786989B2 (en) | Method for splash-free welding, in particular using a solid-state laser | |
JP4004215B2 (en) | Laser processing method and laser processed product | |
JP2010207839A (en) | Laser beam welding equipment and laser beam welding method | |
JP4335819B2 (en) | Metal processing method | |
CN116786983A (en) | Ultrasonic-laser synchronous composite continuous seam welding equipment and method | |
JPH07185856A (en) | Method and device for laser beam machining | |
JPH02220790A (en) | Welding method for motor stator | |
CN115229334A (en) | Rotary selective surface treatment laser processing system and processing method | |
JP2017113766A (en) | Laser processing apparatus, laser processing method, optical system, and padding finished article | |
JP7369915B2 (en) | Laser welding device and laser welding method using the same | |
JP7466323B2 (en) | Manufacturing method of laminated core | |
JPH02137688A (en) | Laser beam machine | |
CN113967788A (en) | Remote laser welding method for stacked steel workpieces | |
CN115210029A (en) | Method for laser welding two coated workpieces | |
WO2023073874A1 (en) | Laser welding method | |
JP2020192543A (en) | Processing method and processing device | |
CN221047548U (en) | Ultrasonic-laser synchronous composite continuous seam welding equipment | |
JP2000158162A (en) | Method and device for laser cut welding | |
WO2022075209A1 (en) | Laser welding method and laser welding device | |
JP7297002B2 (en) | Welding method and welding equipment | |
JPH08243769A (en) | Build up method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050323 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050420 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051019 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051111 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20051121 |
|
A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20060106 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070713 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070821 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100831 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110831 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120831 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130831 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |